隧道高地應(yīng)力軟弱圍巖適度蠕變后滲透注漿加固技術(shù)

羅衡

【摘 要】新建成都至蘭州鐵路松潘隧道屬傍山隧道，隧道最大埋深約270 m，為高地應(yīng)力軟質(zhì)圍巖隧道，施工期間隧道頻繁出現(xiàn)初期支護(hù)變形破壞、侵限等問題。因原始圍巖的壓實程度高，采取常規(guī)注漿加固的效果并不理想。根據(jù)隧道的圍巖特性、初期支護(hù)變形及破壞特性，針對性地提出了隧道高地應(yīng)力軟弱圍巖適度蠕變后滲透注漿加固技術(shù)，有效地控制了高地應(yīng)力軟巖進(jìn)一步蠕變，防止圍巖過度變形。

【關(guān)鍵詞】鐵路隧道；軟弱圍巖；高地應(yīng)力；適度蠕變；注漿

【中圖分類號】U45 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）02-0087-03

0 前言

近年來，隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的迅速發(fā)展，高速鐵路穿越我國西北部高海拔、高地應(yīng)力山脈的情況越來越多，使得隧道施工過程中所遇到的圍巖地質(zhì)情況也更加復(fù)雜。成蘭鐵路松潘隧道最大埋深約270 m，隧道開挖揭示圍巖主要為三疊系上統(tǒng)新都橋組（T3x）炭質(zhì)板巖，巖質(zhì)軟弱、巖體擠壓破碎嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育且結(jié)構(gòu)面結(jié)合很差（如圖1所示）。由于隧道埋深大、地應(yīng)力大，圍巖雖破碎，但在未進(jìn)行開挖擾動時壓實程度高，現(xiàn)有的注漿施工技術(shù)對圍巖變形的控制效果并不理想，從而導(dǎo)致隧道初期支護(hù)頻繁出現(xiàn)變形、侵限的現(xiàn)象。

為了確保隧道圍巖穩(wěn)定，必須進(jìn)行圍巖軟巖的處理，同時需進(jìn)行施工工藝及技術(shù)創(chuàng)新，創(chuàng)造性地采用新技術(shù)，以處治軟弱圍巖的過度變形，確保隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，加快施工效率。

1 采用的創(chuàng)造性施工技術(shù)要點及特點

1.1 技術(shù)原理

因隧道埋深大、地應(yīng)力高，圍巖在未開挖前結(jié)構(gòu)密實，采取常規(guī)的注漿技術(shù)的處理效果非常有限，圍巖在完成初期支護(hù)后，圍巖持續(xù)發(fā)生大變形，造成初期支護(hù)大變形、開裂及超限等問題。

在對隧道高應(yīng)力軟巖的地質(zhì)情況進(jìn)行了充分研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)多次現(xiàn)場試驗、分析及研究，創(chuàng)造性地提出了高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖適度蠕變后滲透注漿的施工技術(shù)，既在圍巖開挖后，立即施工初期支護(hù)，圍巖在初期支護(hù)的約束下，因受開挖擾動及應(yīng)力重分布發(fā)生蠕變，所以圍巖由緊密狀態(tài)向松弛狀態(tài)變化，洞周圍巖產(chǎn)生松動圈，再適時對洞周松動圈一定范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行壓漿加固。注漿的時機要求如下：①圍巖松弛達(dá)到一定程度，可以注入足夠的漿液固結(jié)、加固松弛圍巖；②軟弱圍巖不過度松弛，避免引起初期支護(hù)過度變形破壞，甚至完全失效。具體施工技術(shù)如下。

采用管身鉆注漿孔的φ42/t=3.5 mm無縫熱軋鋼管作為滲透注漿的引流管，在初期支護(hù)完成后鉆孔，將引流管送達(dá)松散圍巖中。利用注漿機將1∶1水泥漿通過引流管壓入松散巖體中，充填、固結(jié)松散圍巖裂隙及充填初期背后間隙，一是使得圍巖不因孔隙裂隙壓密及蠕變過程而導(dǎo)致圍巖松動圈外擴；二是提高圍巖強度和承載能力，減小圍巖對初期支護(hù)的作用力；三是使初期支護(hù)與洞周圍巖密貼，使得初期支護(hù)和圍巖形成一個整體受力支護(hù)體系。

1.2 技術(shù)特點

（1）在軟弱圍巖適度變形松散后進(jìn)行注漿固結(jié)，充分利用了松散圍巖自身殘余強度，增強了圍巖的自穩(wěn)定性，有效阻止了由于隧道松散圍巖蠕變而使松動圈擴大導(dǎo)致初期支護(hù)變形、侵限的現(xiàn)象。

（2）初期支護(hù)施作后再注漿，水泥漿能夠填充初期支護(hù)與圍巖之間的間隙，使初期支護(hù)與圍巖形成更為牢固的結(jié)構(gòu)承載整體，并使鋼架對圍巖有一定的主動支撐力，加強了初期支護(hù)的支撐能力，防止圍巖進(jìn)一步失穩(wěn)。

（3）利用高壓水泥漿液凝固迅速黏結(jié)松散圍巖、填充圍巖節(jié)理裂隙及受開挖爆破影響而產(chǎn)生的裂隙，提高圍巖強度。

（4）注漿加固操作簡單、工藝方便、使用機械簡便、節(jié)能環(huán)保、工程造價低，不影響施工循環(huán)進(jìn)度。

（5）安全可靠，大大降低了高地應(yīng)力軟巖隧道初期支護(hù)的換拱。

1.3 適用范圍

適用于各種高地應(yīng)力軟弱、強風(fēng)化圍巖隧道施工。同時，在高原黃土、松散全風(fēng)化圍巖隧道施工上可參考使用。

2 注漿時機的研究

為了達(dá)到注漿處理加固的效果，注漿時機的選擇非常重要，如果注漿時間過早，圍巖松散程度不足，漿液注入困難，不能充分填充圍巖裂縫，其圍巖加固效果不佳；如果注漿時間過晚，則圍巖變形過大，注漿后持續(xù)的部分變形導(dǎo)致初期支護(hù)變形破壞或超限。

經(jīng)對本隧道圍巖變形規(guī)律進(jìn)行研究，以拱腰處水平收斂為參考參數(shù)，典型斷面變形曲線如圖2所示。

研究表明，當(dāng)水平收斂超過450 mm時，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫或是破壞現(xiàn)象或是變形超限等現(xiàn)象，故需在水平收斂不超過450 mm前進(jìn)行注漿。同時試驗結(jié)果表明，當(dāng)水平收斂變形處于350～450 mm區(qū)間，初期支護(hù)后壓漿雖能有效降低圍巖變形量，但壓漿前變形量+后續(xù)殘余變形量還是容易使初期支護(hù)產(chǎn)生變形超限或是破壞的作用。故將壓漿的水平收斂上限值定為350 mm。

當(dāng)水平收斂小于150 mm時，壓注入的水泥漿液少，壓漿后的變形量與完全沒注漿斷面相差不大，效果太理想，故將壓漿的水平收斂下限值定為150 mm。

在本隧道施工中，進(jìn)行高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖適度蠕變后滲透注漿時的水平收斂值為150～350 mm。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)及操作要點

3.1 進(jìn)行監(jiān)控量測，確定注漿時機

開挖后，及時進(jìn)行初期支護(hù)鋼架架立及噴錨等施工，初期支護(hù)完成后，立即進(jìn)行監(jiān)控量測，當(dāng)水平收斂達(dá)到150～350 mm區(qū)間時，開始進(jìn)行注漿。

如果初期支護(hù)不能及時完成，或是施作時間過長，導(dǎo)致開始進(jìn)行水平收斂量測的時間延后，則根據(jù)具體情況調(diào)整注漿時的水平收斂值。

3.2 操作要點

3.2.1 施工前準(zhǔn)備

檢查壓力表是否正常，注漿管是否通暢。進(jìn)行注漿機清水試驗，觀察注漿機運轉(zhuǎn)及出水量情況是否正常。

因本隧道圍巖蠕變松散圈厚度為300～500 cm，注漿范圍要穿過松散區(qū)。故注漿管采用φ42/t=3.5 mm無縫熱軋鋼管，單根長500 cm。鋼管前端加工為錐形，尾部設(shè)置φ8 mm鋼筋加勁箍。管身鉆注漿孔，孔徑為6～8 mm，孔間距為15～20 cm，注漿孔呈梅花形布置，尾部留不小于100 cm不鉆孔為止?jié){段。注漿管構(gòu)造如圖3所示。

3.2.2 測量放樣

在噴射混凝土完成后，現(xiàn)場測量員在矮邊墻以上部位對上一循環(huán)噴混凝土表面進(jìn)行孔位標(biāo)識，孔位間距為120 cm×100 cm（環(huán)×縱），呈梅花形布置，孔位放樣允許偏差2 cm，并與原設(shè)計系統(tǒng)錨桿位置交錯布置，有水的地段加密布置。

3.2.3 鉆孔及注漿管安裝

噴射混凝土完成后，進(jìn)行注漿管的孔位布置、成孔及安設(shè)。注漿管的安設(shè)為先鑿巖機成孔，再送入注漿管。

鑿巖機成孔過程中控制其與初期支護(hù)面垂直，注漿孔一次成孔；鉆孔深度大于注漿管長度10 cm；注漿管孔距在允許偏差范圍內(nèi)。當(dāng)鉆孔遇到鋼筋網(wǎng)片而無法鉆進(jìn)時，可在測量點旁邊重新鉆孔。

在鉆孔完成后，進(jìn)行吹孔檢查，檢查確定無塌孔、阻孔石的情況下才可送管。且注漿管外露長度不大于10 cm，并在端頭焊接止?jié){閥，以保證注漿完畢后漿液不從注漿管回流。

3.2.4 注漿管注漿

利用噴射混凝土對本循環(huán)施作的注漿管孔口進(jìn)行封堵形成止?jié){盤（厚約5 cm），防止注漿過程中漿液從注漿管周圍溢出而達(dá)不到壓漿效果。

同時調(diào)制1∶1水泥凈漿，采用注漿機對上一循環(huán)施作的注漿管進(jìn)行壓漿作業(yè)（如圖4所示）。

注漿前先對注漿機進(jìn)行清水試驗，檢查設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況。在一切正常后對圍巖進(jìn)行注漿。注漿壓力一般為0.5～0.7 MPa，注漿順序為先下后上，先疏后密，先周邊后中間，注漿方式為先稀后濃，先低壓后高壓。注漿開始時，要先開進(jìn)漿閥，再關(guān)閉泄?jié){閥；注漿結(jié)束時，要先打開泄?jié){閥，再關(guān)閉進(jìn)漿閥。避免2個閥門同時關(guān)閉，防止壓力突然升高，產(chǎn)生危險。

當(dāng)注漿完畢后，利用清水對攪拌桶、注漿機、注漿管、壓力表進(jìn)行清洗干凈，防止注漿漿液污染、堵死施工設(shè)備。做好現(xiàn)場文明施工。

4 質(zhì)量控制

軟巖隧道同步注漿施工質(zhì)量控制要點主要為進(jìn)場材料、注漿管加工及安設(shè)、注漿機注漿效果的質(zhì)量控制。

4.1 鋼管及水泥進(jìn)場質(zhì)量控制

注漿管所用鋼管必須按批抽取試件作力學(xué)性能和工藝性能試驗，其質(zhì)量必須符合國家有關(guān)規(guī)定及設(shè)計要求。檢驗數(shù)量：以同牌號、同爐罐號、同規(guī)格、同交貨狀態(tài)的鋼管，每60 t為一批，不足60 t按一批計。

注漿所用普通硅酸鹽水泥現(xiàn)場對每廠家、每編號核查供應(yīng)商提供的質(zhì)量證明文件。同時對每批抽樣試驗一次。檢查數(shù)量：以同廠家、同編號、同出廠日期且連續(xù)進(jìn)場的散裝水泥每500 t（袋裝水泥每200 t）為一批，不足上述數(shù)量時也按一批計。

4.2 注漿管加工及安設(shè)質(zhì)量控制

注漿管的加工在洞外鋼筋棚內(nèi)集中進(jìn)行，對作業(yè)人員進(jìn)行專門培訓(xùn)并由專人負(fù)責(zé)。同時，技術(shù)員隨機抽樣檢查溢漿孔的數(shù)量間距大小是否符合要求，如果不符合要求應(yīng)及時要求返工處理。檢查方法：尺量、觀察法。

在測量放樣時，注漿管安設(shè)點允許偏差2 cm，標(biāo)識點清晰明了。在鑿巖機成孔時，孔距允許偏差15 cm；成孔方向與初期支護(hù)面垂直，允許偏差為2°；成孔后對孔深進(jìn)行檢查，鉆孔深度大于注漿管10 cm；并檢查孔內(nèi)是否通暢，有無塌孔現(xiàn)象。再送入注漿管，沿成孔方向順利一次送入，切勿偏移角度使得注漿管損壞。

4.3 注漿機注漿效果質(zhì)量控制

在注漿過程中，安排專人負(fù)責(zé)觀察注漿壓力值，注漿壓力一般控制為0.5～0.7 MPa，同時觀察注漿管之間的串漿情況。如果注漿壓力值上升很快，注漿量很小，表明圍巖密實或注漿管孔被泥砂堵死，當(dāng)注漿壓力到達(dá)設(shè)計值時停止對此注漿管注漿。如果注漿壓力按一定規(guī)律上升，且注漿流量變化不大，表明注漿滲透效果較好，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計要求且注漿流量逐漸減小時停止對此注漿管注漿。如果注漿壓力過程中注漿壓力迅速下降，且注漿流量增大時及時停止注漿，觀察周邊是否有漏漿現(xiàn)象，并及時對其進(jìn)行處理。

5 結(jié)語

通過綜合研究分析松潘隧道圍巖的結(jié)構(gòu)特性、初期支護(hù)的變形破壞特性和變形成因，掌握其變形發(fā)展的規(guī)律，進(jìn)而針對性地在松潘隧道高地應(yīng)力軟弱圍巖段采用軟弱圍巖適度蠕變后滲透注漿加固技術(shù)，并合理地進(jìn)行施工組織和嚴(yán)格施工工序質(zhì)量的控制，不斷完善、優(yōu)化和改進(jìn)施工工藝，有效控制了初期支護(hù)體系的變形破壞，確保了松潘隧道的施工安全和提高了施工效率，取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

參 考 文 獻(xiàn)

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